光沒有質量,黑洞為什麼可以吸住光?光並不是被黑洞吸進去的,而是自己走進的。
關於引力,目前有兩種描述:
(1)牛頓經典物理,萬有引力
(2)愛因斯坦廣義相對論,時空幾何
宇宙質量為王,想要成為黑洞需要足夠的大的質量,除此之外還有另外一個關鍵因素:密度。演變成黑洞的恆星質量比黑洞還大,但它卻無法把光吸進去,因為它體積(半徑)太大,不夠密集,因此單位空間內的質量大小才是決定引力的關鍵因素,光之所以無法逃脫黑洞就是因為黑洞足夠的緻密,例如火箭可以飛出地球,但如果把地球壓縮到玻璃球大小就會成為一個「超小型」黑洞(忽略蒸發),那麼當光進入這個超小黑洞時也無法逃脫。
火箭可以升空,小球拋出去會落回地面,這主要取決於逃離地球的速度。
環繞地球運行的速度,我們稱之為地球的第一宇宙速度,火箭的速度我們稱之為逃逸速度。
通過牛頓定律和萬有引力公式我們可以得到逃逸速度的公式。
由逃逸速度可以看出,一個天體的逃逸速度主要取決於天體本身的質量(正比)與天體本身的半徑(反比),並且與逃逸的物質本身的質量大小無關。一個天體的逃逸速度越大,也預示著天體的引力越強,當一個天體的質量足夠大,半徑足夠小,導致它的逃逸速度大於光速,那麼光將無法從這個天體逃脫。宇宙中很多恆星的質量都很大,但只有黑洞的半徑(體積)才足夠小,因此大質量恆星只能使光線發生偏轉,只有黑洞才可以吞噬光。
天體的質量越大,引力坍縮的作用就越強,內部相互擠壓,物質向內收縮。當質量足夠大,內部高溫高壓下就會觸發核聚變,向外輻射能量來抵抗天體向內收縮。當核聚變的燃料用盡,恆星就會繼續收縮。
根據泡利不相容原理,兩個(以上)電子不能佔據相同的量子態,電子簡併壓力可以抵擋引力進一步坍縮,然後如果恆星的質量超過錢德拉塞卡極限(1.44個太陽),那麼電子就會被壓入原子核中,使帶正電的質子轉變成中子,並釋放能量和中微子,此刻恆星就會成為一顆全部由中子構成的中子星,有中子簡併壓力來阻擋引力進一步坍縮。
如果恆星的質量超過奧本海默極限(3.2個太陽),那麼中子簡併壓力也抵擋不了引力坍縮成奇點。
奇點是一個點,物質之所以會坍縮成一個點是因為物質由費米子與玻色子構成,玻色子在費米子之間傳遞著能量,使物質可以維持穩定結構,光子、膠子等玻色子靜態質量都為零以光速運動,當引力足夠大,使光速運動的玻色子路徑發生扭曲,那麼物質的結構將會崩塌,所有物質都會被拆解成零維的粒子,甚至更小的人類未知的粒子。
在愛因斯坦的《廣義相對論》中,引力不是「力」,而是一種現象,是時空幾何性質。
惠勒解讀《廣義相對論》中的引力說:
Spacetime tells matter how to move; matter tells spacetime how to curve。
物質告訴時空如何彎曲,時空告訴物質如何運動
1919年愛丁頓在日食觀測發現了太陽背後遠處星系的光線在經過太陽時發生了偏轉,通過太陽質量「壓彎」了時空,光線通過彎曲的時空,改變了原來的「直線」路徑,使光線所呈現的星系位置與實際位置發生了偏移證實了《廣義相對論》。
奇點存在於點單位空間內,這是大質量恆星「濃縮」的一個點,以極大質量的「一點之力」彎曲了空間,曲率極大。光是沿直線傳播的,這一點自始至終都沒有改變,改變的是空間。兩個點間穿過一條線,兩點間路徑最短的是直線。光在經過彎曲空間時也遵循著這條定理,彎曲的空間中的直線是測地線。
黑洞由於曲率極大,所有路徑都指向了奇點,因此一旦光靠近黑洞光也逃脫不出的曲率臨界點,那麼它將沿著「它所認為的直線」自願地走向奇點,這並非是引力把它拉進去的。而這個臨界點就是視界,在視界半徑內所有的光都走向了奇點,因此在視界內毫無光明可言,形成視覺的界限,我們把這個奇點在中心,視界「包裹」著它的天體叫做黑洞。